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轨道检测预研报告(END)


公铁两用检测车测量系统 预 研 报 告

武汉武大卓越科技有限责任公司 首席科学家办公室 2011 年 3 月

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1 预研目的..............................................................................................

......................................... 3 2 预研目标....................................................................................................................................... 4 2.1 目标之一:研制快捷稳定的轨道数据采集系统 ............................................................ 5 2.2 目标之二:研制精准高效的数据处理算法和软件 ........................................................ 5 2.3 目标之三:研发适用的轨道管理系统 ............................................................................ 5 2.4 轨道综合检测车系统构成 ................................................................................................ 6 3 轨道检测技术现状分析............................................................................................................... 6 3.1 国外铁路轨道检测现状..................................................................................................... 6 3.2 国内铁路轨道检测现状..................................................................................................... 7 3.2.1 GJ-3 型轨道检测车 .................................................................................................. 8 3.2.2 GJ-4 型轨道检测车 .................................................................................................. 8 3.2.3 GJ-5 型轨道检测车 .................................................................................................. 9 3.2.4 新型高速轨道检测车............................................................................................ 11 4 预研内容..................................................................................................................................... 13 4.1 车辆定位技术.................................................................................................................. 13 4.2 钢轨断面测量技术........................................................................................................... 13 4.2.1 断面磨耗定义及对铁路的影响 ........................................................................... 13 4.2.2 断面磨耗检测原理............................................................................................... 14 4.2.3 系统结构图........................................................................................................... 15 4.3 轨道几何测量技术.......................................................................................................... 16 4.3.1 轨道几何测量内容............................................................................................... 16 4.3.2 轨道几何测量原理............................................................................................... 16 4.4 限界测量技术.................................................................................................................. 23 6 风险评估..................................................................................................................................... 23 7 建议 ............................................................................................................................................ 24 1.1.1 中国铁路交通发展现状 ....................................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 轨道几何检测技术................................................................................. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 线路全断面检测技术 动态基准测量技术 ....................................... 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。

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1 预研目的
1.1 铁路发展背景
在中国, 铁路是国家重要的基础设施、 国民经济的大动脉和大众化交通工具, 在综合交通运输体系中处于骨干地位。新中国成立以来,尤其是改革开放以来, 中国铁路取得了长足进步,为经济建设做出了重要贡献。随着全路提速战略的实 施,轨道交通向高速度、高密度的方向发展,交通运营安全保障工作变得越来越 艰巨,行车安全和舒适问题已成为运输生产中的关键问题。在铁路基础设施中, 轨道一直是薄弱环节,因此铁路动态检测成为一项重要措施。相应的基础设施安 全检测也不得不由传统的人工巡检方式向现代车载式高速动态检测方式转变。 近年来,轨道检查车随着计算机技术和检测技术的发展而得到迅速发展,检 测精度和可靠性大大提高。在轨检车检测结果的监督和指导下,线路质量得到普 遍提高。以动态检测为主,静态为辅的轨检思想已深入人心。但是,在行车速度 或检测速度提高以后,国内轨检车的不适应日益突出,既有的轨检车技术发展思 路与国外先进的轨检车技术发展方向不一致,必将影响检查结果的客观与公正, 与先进国家轨检车技术的差距将越来越大,这必须引起我们的重视。尤其是在 2004 年 1 月国务院常务会仪讨论并通过的《中长期铁路网规划》中明确指出到 2020 年,全国铁路营业里程达到 10 万公里以上,主要繁忙干线实现客货分线, 建设高速铁路 1.2 万公里以上。2008 年,中国政府根据我国综合交通体系建设 的需要,对铁路规划进行了调整,确定到 2020 年,全国铁路营业里程达到 12 万公里以上,建设高速铁路 1.6 万公里以上。而截至到 2008 年,全路共配套各 种类型检测设备 37 辆,远远赶不上我国轨道建设发展的步伐。 虽然提速以后快速线路基本上全部更换了提速道岔,但线路加强力度还没有 达到提速所应有的要求。对列车的安全、舒适性提出了更高的要求,运行速度的 提高和重载列车的开行,对轨道的破坏作用加大,导致轨道状态的恶化加剧。因 此,加强轨道动态检测力度,及时掌握轨道质量状态,正确指导线路养护维修, 确保铁路运输安全, 已成为铁路工作中的一项重要基础工作。 尤其是客车提速后, 重载列车的开行。在线路上的矛盾越来越严重。公务部门的压力越来越大,为确 保轨道良好的状态,必须加强轨道的动态检测。而动态检测的主要检测工具轨检 车的重要性日益突出。
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1.2 城市轨道发展背景
进入 21 世纪以来,随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加快,城市轨 道交通也进入大发展时期。截至 2007 年 12 月 31 日,中国已经开通运行轨道交 通的城市 12 个(含香港、台湾地区) ,其中大陆 10 个城市通车线路总计达 30 条,通车总里程 729 公里。截至 2008 年 9 月,中国城市轨道交通运营里程已从 1995 年的 43 公里增加到 775.6 公里。而据不完全统计,北京、上海等 15 个城市 共有约 50 条,1154 公里轨道交通线路在建。 截至目前,有约 27 个城市正在筹备建设城市轨道交通,其中 22 个城市的轨 道交通建设规划已经获得国务院批复。至 2015 年前后,北京、上海、广州等 22 个城市将建设 79 条轨道交通线路,总长 2259.84 公里,总投资 8820.03 亿元。预 计到 2050 年中国城市轨道交通线路总长将超过 4500 公里。 2009 年 6 月 16 日,武汉市政府常务会议审议并原则通过《武汉市城市快速 轨道交通建设规划(2009-2020)。根据规划,2012 年以前,武汉市将建成轨道 》 1 号线、 号线和 4 号线一期, 2 总长 72 公里, 形成沟通长江两岸的“工”字型线网; 到 2020 年,新增 5 条轨道交通线路,形成由 8 条线路组成、总长 238 公里、覆 盖三镇的轨道交通基本网络体系。

2 预研目标
本项目的研究目标是以公铁两用车为载体, 研究由差分 GPS/INS (惯导系统) 集成定位定姿、线激光器、线阵 CCD 相机、3D 相机、激光测距机、激光扫描仪、 立体相机、 超声探伤仪与车轮编码器等多传感器集成的城市轨道交通全断面检测 与测量平台,实现城市轨道交通基础设施全断面信息的快速获取;研究多源数据 的融合处理与异常信息(病害信息与超差信息)的快速提取,实现城市轨道状态 的动态分析(如铁路隧道变形分析、轨道几何参数与平顺性分析、轨道健康状态 分析、轨道交通状态综合评价) ,为城市轨道交通的安全运营提供及时可靠的轨 道状态信息与技术保障。进而实现铁路养护管理的快捷、精确、规范和有效。

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2.1 目标之一:研制快捷稳定的轨道数据采集系统
该研究目标包括: 设计稳固而美观的车载平台,创造舒适的数据采集工作环境; 快速、高分辨率的铁路图像采集系统; 色彩逼真、清晰度高的沿线设施子系统; 激光扫描三维数据采集子系统; 准确可靠的激光线结构线路几何数据采集子系统;

2.2 目标之二:研制精准高效的数据处理算法和软件
该研究目标包括: 研究基于轨距及轨向的测量算法和软件,实时对铁路病害进行处理、坐 标转换、合成和滤波。 研究基于高低不平顺的惯性测量和三角形测量原理的摄像测量技术的算 法与软件。 研究基于水平几何参数的水平测量原理的算法与软件。 研究基于线路全断面的三维尺寸的测量,从而获得线路横纵断面、铁路 隧道净空、 邻线间距、 邻近建筑物距等重要指标的非接触式算法与软件。 其主要为 1 维的激光测距技术和二维的三角形摄像测量和三维的立体摄 像测量技术。

2.3 目标之三:研发适用的轨道管理系统
该研究目标包括: 基于国家和铁道部相关轨道检查与养护规范的路况数据的统计和报表输 出 能实现基于几何参数、加速度、磨耗、线路环境设施、接触网等指标的 显示、查询和输出。

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2.4 系统构成
公铁 2 用综合检测车

车辆平台

供电与控制

业务功能模块

通 用 车 辆

轨 道 悬 架

发 电 机

配 电 系 统

定 位 系 统

轨 道 几 何 参 数

钢 轨 断 面

限 界

评价与报表软件模块

3 轨道检测技术现状分析
3.1 国外铁路轨道检测现状
国外轨道检测车(简称“轨检车”)的发展已有 100 多年的历史,1877 年 第一辆简易轨检车诞生。在各种静态检测设备和手推式检测工具使用的基础上, 20 世纪 40 年代,瑞士、联邦德国、美国、法国、日本等国家相继研制开发了采 用弦测法检测技术、接触式机械测量技术、检测速度为 60 公里以下的轨道检测 车。 二次世界大战后,轨检车由机械式向电气式转变、测试仪表电子化、检测 项目增加、速度提高、并开始应用惯性基准原理。 上世纪 70 年代后期,80 年代初,电子技术和检测技术的发展,带动了轨 检车检测技术的革命,轨检车普遍采用惯性检测技术,光电、电磁、电容等非接 触传感器、伺服跟踪、自动补偿修正、车载计算机、模拟信号数字化处理以及数 字滤波等技术在轨检车上得到广泛应用。 通过对检测设备安装接口方式的独立设
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计(主要指安装方式或悬挂方式改变),为高速铁路轨道状态安全、实时检测与 科学管理奠定了基础。国外轨道检测技术见表一
表一:国外轨道检测技术发展现状 国家 美国 检测原理 惯性基准法 最高检测速 度 250km/h 传感器安装方 式 转向架 检测项目 轨道几何、钢轨断面、 波浪磨耗、加速度(车 体、构架、轴箱) 轨道几何、轮轨力、加 速度(车体、构架、轴 箱) 轨道几何、钢轨断面、 波浪磨耗、加速度(车 体、构架、轴箱) 轨道几何、加速度(车 体、构架、轴箱) 轨道几何、钢轨断面、 波浪磨耗、加速度(车 体、构架、轴箱) 检测方式 非接触测量

日本

弦测法

275 km/h

车体

非接触测量

法国

惯性法

320 km/h

转向架

非接触测量

英国 意 大 利

惯性法基准 弦测法(低 俗) 惯性法基准 (高速)

230km/h 300km/h

转向架 车体

非接触测量 非接触测量

3.2 国内铁路轨道检测现状
我国轨道检测技术紧跟国际轨道检测技术的发展方向,经过 20 多年的创新 研究,已经形成了满足高速铁路、既有铁路和地铁、城市轻轨等多领域轨道检测 需要的检测系统和分析处理系统,目前正在向更加高速、智能、高效、便携等方 向发展。已初步形成了国内轨道检测技术体系,从检测系统类型划分为 GJ-3、 GJ-4、GJ-5 三种类型,三种检测设备代表了我国不同时期的轨道检测技术发展水 平,截止 2008 年全路共配套各种类型检测设备 37 辆。其中 GJ-4、GJ-5 型检测设 备已成为我国既有线路轨道状态监控的主要手段,最高检测速度达到 200km/h。 在 CRH2-010A 和 CRH2-061C 动检车上自主研究的轨道检测系统检测速度分别 达到 250 km/h 和 300km/h,目前 CRH2-010A 动检车承担着每月既有提速干线的 检测任务。 通过集成创新研制的 0 号高速综合检测车的轨道检测系统目前承担着京津城 际铁路的检查任务和部分提速干线检测任务,检测速度达到 250 km/h。

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3.2.1 GJ-3 型轨道检测车
20 世纪 80 年代,开创了该系统,首次实现了高低、水平、三角坑、车体垂 直和水平加速度项目实时检测,以检测波形和数值超值方式实时输出检测结果。 实现了轨道几何超限计算机自动判别的功能, 从而结束了长期采用人工判别超限 的方式。但该轨检车的电路大多采用分离式元件、稳定性差,加之安装时间跨度 大,即使同一种仪器使用的元器件和接口也不完全一样。造成了备件选择和备用 上的极大困难,养护维修难度很大。

3.2.2 GJ-4 型轨道检测车
90 年代,激光、陀螺、自动控制技术和数字滤波等技术的运用,为提高检 测设备可靠性,降低 GJ-3 型轨道检测系统分离元器件、稳定性差的缺点,在原 有 GJ-3 型检测项目的基础上,新增了轨距、轨向、超高、曲线半径等检测项目。 还可以识别道岔、道口、桥梁等地面具有显著特征的标志物,方便公务人员查找 轨道病害位置,但其测量轨道、轨距的光电伺服机构存在以下 3 个方面的问题: 轨距吊梁对行车安全构成威胁。随着轨检车运行速度的提高,轨距吊梁 所受的振动和冲击力大大增加,工作环境恶裂,加速了轨距吊梁的疲劳 断裂。加之没有实时探伤检测手段,一旦出现轨距吊梁断裂、脱落,必 将引发安全问题。1999 年和 2000 年,检测中心、沈阳局、乌鲁木齐局轨 检车都出现了吊梁螺栓断裂和吊梁纵梁及横梁断裂问题,给检测工作蒙 上了阴影。 装在轨距吊梁上的检查设备故障率较高。随着列车运行速度的提高 ,安 装在轨距吊梁上的光电伺服机构的故障率呈现增长态势。另外,东北地 区及其他寒冷地区一年有 3~6 个月光电伺服机构由于结冰而无法正常工 作,部分地区由于风沙也经常导致光电伺服机构移动失常。 轨距吊梁在特定检查速度下产生共振,导致检查数据失真。运用中发现, 检查速度达 115km/h 甚至 140km/h 时,由于轨距吊梁产生共振,导致轨 距轨向波形出现典型的谐波波形,检测数据严重失真。 GJ-4 型轨道几何检测系统的成功运用,实现了我国轨道检测技术自动化。成 为既有提速干线检测的主要手段。 目前, 该系统已成功运用到沈阳、 深圳、 南京、 郑州等铁路局的线路状态检测工作中。GJ-4 型轨检车也适用于地铁、轻轨等城市 轨道的检测。
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3.2.2.1 技术指标(轨道几何参数)
检测项目 距离 速度 轨距 曲率 水平及超高
高低 轨向 扭曲 车体振动加速度 轴箱振动加速度

测量范围 0~2999 km 0~160km/h 1415~1480mm ±23°/30m ±200 mm ±60 mm ±100mm ±100mm ±1g ±150g

检测精度 ≤±1‰ ≤±0.2 km/h ≤±0.8mm ≤±0.05°/30 m ≤±1.5 mm ≤±1.5 mm ≤±1.5 mm ≤±1.5 mm ≤±0.01 g ≤±1 g

3.2.3 GJ-5 型轨道检测车
21 世纪,通过引进和消化吸收、自主集成创新方式、研制开发了 GJ-5 型轨 道几何状态检测系统。该检测系统采用计算机局域网技术、激光摄像非接触测量 技术、计算机 VME 总线技术、惯性传感器技术、数字滤波技术、卫星定位技术 等。区别于 GJ-3、GJ-4 检测系统最明显特点是车下检测梁的安全性能,从而实现 了高速运行条件的安全检测功能。 截止目前该类型检测设备已成为第 6 次大提速 后干线检测的主力车型。

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图 3.2.3:构架式光电轨距测量装置

3.2.3.1 系统功能
轨道几何状态检测:检测项目包括高低、轨向、轨距(有载和无载) 、水 平(超高) 、三角坑、曲率(半径)等; 钢轨断面检测:钢轨轨头垂直、侧面磨耗、总磨耗; 钢轨短波不平顺检测:检测项目包括钢轨波浪磨耗、钢轨表面擦伤等; 加速度检测:检测项目包括车体(垂直、水平)和轴箱加速度等; 轨距力检测:检测项目包括轮轨横向、垂向力、脱轨系数、减载率等; 检测速度:检测系统不小于 200km/h; 线路环境检测:线路周边视屏环境和地面标志(桥、涵、道岔、道口等) 。

3.2.3.2 检测原理
GJ-5 型轨道检测系统采用梁结构方式的惯性测量及摄像式的图像测量原 理, 既惯性基准与测量基准被安装在同一刚体内。安装位置在检测车车架下。 该检测系统的核心传感器部件是组装在一个封闭的梁体中,便于安装、检修和维 护。非接触测量总成安装在检测车底部构架位置。检测梁内共配置使用 10 个摄 像机、4 个激光器、1 个惯性包,用于钢轨断面的非接触测量。钢轨内、外两侧 激光器发出一扇形光带,垂直照射在钢轨上,在钢轨上形成一垂直断面;同时,
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轨距摄像机捕捉到激光线的图像,视频图像输出到 VMEbus 计数机系统,经数字 处理后,拟合成完整的钢轨断面图像,通过坐标变换、合成和滤波处理等,最终 获得合成后的轨道几何数据和钢轨断面磨耗等参数。

3.2.4 新型高速轨道检测车
在我国高速铁路运行速度超过 350km/h 时,适用高速轨道检测技术的实现 方式面临严峻挑战,要求轨道检测设备不仅具备时速 350 km 以上检测速度的检 测能力,更重要的是所有检测设备具有更高的可考性和安全性。检测系统检测项 目更全、检测精度更高,系统更加智能化、人性化。未来轨道检测系统具有小巧 灵活,向无人值守便携式方向发展,检测数据以无线方式传输等特点,实现等速 检测。 目前,采用光纤数字陀螺和高速激光数字摄像传感器技术,通过惯性基准 法、非接触测量方式的 LASERAIL 4000G 型轨道检测系统已实现 350km/h 高速检 测能力。可检测短波、中波、长波高低和轨向、轨距、水平、三角坑、线路坡度、 线路平断面、纵断面曲率(半径)等项目。车辆动态响应检测为车体、构架、轴 箱加速度项目。其他辅助检测包括速度、里程、桥梁、道岔等地面标志检测。检 测原理为惯性基准测量,检测方式为便携无人值守模式,数据输出方式为无线传 输。

GJ-3 型轨检车

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GJ-4 型轨检车

GJ-5 型轨检车

0 号轨检车

0 号轨检车车编组 图

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4 预研内容
4.1 车辆定位技术(写的不够丰富)
在轨道交通行车安全和指挥系统中,列车定位是一项关键性的技术。准确、 及时地获取列车位置信息,是列车安全、有效运行的保障。因此列车定位应提供 准确、实时的列车位置信息,并具有以下功能: 能够为列车控制系统随时随地提供准确的位置和实时速度信息,保证前 后列车的安全间隔; 缩短前后追踪列车的间隔时间,提高区间列车运行速度; 通过列车定位可获得列车运行状态的基础信息,从而便于实现列控系统 的车载及轨旁设备的故障分析; 依据列车超速防护子系统的速度-模式曲线,实现列车的定点停车及超速 防护;

4.2 钢轨断面测量技术
钢轨断面检测是测量钢轨断面磨耗、 轨道不平顺和波浪磨耗等质量参数的核 心技术。在本报告中重点研究钢轨断面磨耗检测技术和轨道不平顺检测技术。

4.2.1 断面磨耗定义及对铁路的影响
钢轨断面磨耗一般定义为由于机械作用而造成的物体表面材料的逐渐损耗。 或者定义为:由于磨耗结合力的反复扰动而造成的材料破坏。通常检测设备所检 测的钢轨断面磨耗包括垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗。如图所示。

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W1

标准轮廓

16mm W2

测量轮廓

图 4.2.1 :钢轨磨耗定义(其中 w1 为垂直磨耗、w2 为水平磨耗) 钢轨磨耗一方面加速了机车车轮的磨损,增加了轨距;另一个方面会增加与 机车车轮踏面的接触面积,使运动阻力增大。当磨损超过一定限度时,轨头断面 与车轮踏面失去匹配,将严重影响高速铁路行车平稳性,对行车安全造成极大的 危害。所以需要及时对钢轨断面尺寸和磨损情况进行检测,以保证列车平稳、安 全运行。 钢轨磨耗程度是制定线路大、中、小维修计划的基本依据。我国铁道部铁路 线路维修规划中规定了轻、重伤钢轨的轨头磨耗的限定值,并且要求每个铁路局 必须定期对钢轨头部磨耗进行检测。 如果钢轨达到重伤程度, 不能保证行车安全, 必须立即更换。对轻伤的钢轨,应及时进行修理或有计划的予以更换。因此,断 面磨耗检测对钢轨磨耗发展趋势的预测是十分重要的。

4.2.2 断面磨耗检测原理
钢轨断面轮廓采用非接触式的三角测量方法, 既采用激光平面垂直于物体轴 线方向照射钢轨,在钢轨表面上形成断面光带,使用高速相机摄取断面轮廓光带 图像,然后输入基于 System on Programmable Chip(sopc)的高速图像采集压缩系 统进行预处理,处理结果通过百兆以太网发送到 pc 机,最后 PC 机对钢轨断面图 像进行高精度处理和标定还原,得到钢轨断面轮廓信息。

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4.2.3 系统结构图
钢轨断面成像模块 基于sopc 的高速图像采集压缩 块 模
采 集 波 数 据 理
CameraLink

钢轨断面高 度处理 模块
光 光 带 像 带 素 极 细 化 细 化 图 像 面 轮 拼 光 带 光 像 带 素 亚 像 极 定 素 细 化 细 化 极 原 还 标 告 图 像 报 接 信 息 廓 断 素 极 原 像 还 图 亚 像 定 标 图 像

滤 阀 值 处 理 处

压 缩 打 包
Enternet

数 相机 滤光片 激光器

同 步 采

数 相机

CameraLink

集 波 据 理 处

滤 阀 值 处 理

压 缩 打 包
Enternet

滤光片 激光器

图 4.2.3:系统功能结构图

4.2.3.1 钢轨断面成像模块
该模块的主要功能是采用光切法在钢轨表面形成断面轮廓光带, 然后使用高 速相机摄取光带信息,转变为图像数据,输出给后端的高速图像实时采集压缩系 统进行预处理。断面采样频率和图像分辨率是 2 个重点,必须达到系统要求。为 了减少自然光等环境光线的影响,在相机镜头前增加滤光片,提高图像质量,增 强成像模块的抗干扰能力;因此钢轨断面成像模块主要由线型激光器,滤光片和 高速相机组成。 高速相机的选择要求 1) 、曝光时间短,可以拍摄高速运动物体; 2) 、采样间距小,机车运动速度高,要求相机帧频高; 3) 、需具备外同步功能,多个相机可以同步工作; 4) 、具有高速数据接口,图像数据可以实时输出; 5) 、可以在恶劣环境下工作。

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4.2.3.2 基于 SOPC 的高速图像实时采集压缩模块
高速图像实时采集压缩模块的主要功能包括: 将相机输出的图像数据实时采 集到 SOPC 系统中进行缓存;对图像进行滤波处理,降低噪声干扰;进行阀值处 理,提取光带附近数据;对处理结果压缩打包,通过百兆以太网传输给 PC 机进 行图像高精度处理。 基于 FPGA 和 SOPC 硬件系统采用专用芯片转变相机数据格式;采用硬件描 述语言设计处理模块对图像数据进行缓存、滤波、压缩等处理操作;
PC 机 图像 高精 度处 理模 块

数字相机 滤光片 激光器
CameraLink

存储器件 钢轨断面 图像采集 模块 其他接口

以太网接口

控制器 数据处理模块

Enternet

图 4.2.3.2:SOPC 系统结构图(红色部分)

4.2.3.3 钢轨断面高精度处理模块
钢轨断面图像高精度处理模块利用 PC 机强大的处理能力,完成以下主要功 能;接收压缩后的图像处理结果,还原为图像格式;光带亚像素级高精度细化处 理;图像标定和还原。

4.3 轨道几何测量技术
4.3.1 轨道几何测量内容
轨检车的测量项目包括:轨距、曲率、水平(超高)、高低、轨向、扭曲、 车体振动加速度、轴箱振动加速度、地面标志、速度和里程等

4.3.2 轨道几何测量原理
轨检车几何状态检测系统,采用了先进的模拟—数字混合处理系统,传感器 信号首先进入信号转接及监视装置后,送入信号模拟预处理装置进行预处理。预 处理后的信号再通过信号转接及监视装置后进入计算机数据处理系统, 根据数学 模型进行信号解偏、修正、补偿、滤波、合成计算出轨道几何参数,同时进行检
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测数据统计分析、摘取超限值、打印报表、存贮显示。几何参数经D/A变换后, 再经信号转接及监视装置后送到绘图仪以记录波形。

4.3.2.1 轨距
两根钢轨头部内侧间与轨道中心线相垂直的水平距离,并规定在轨顶下 16mm 处测量。 世界上大部分国家均采用 1435mm 的标准轨距, 即准轨。 大于 1435mm 的称为宽轨, 国外有 1676mm、 1524mm 的轨距。 小于 1435mm 的称为窄轨, 1067mm、 如 1000mm 等。 最初的动态轨距测量采用滚动轮接触轨头的方法, 这种接触式方法机械惯性 大、精度低、在准高速动态测量时就已经无法使用了。目前的高速动态轨距测量 技术主要采用三角形摄像原理。如图所示 摄像轨距检测系统由安装在车辆转向架上的检测梁, 以及安装在检测梁两侧 的激光断面式轨距测量设备和安装在检测梁中部的惯性基准测量单元 3 部分组 成。激光断面式轨距测量设备由一个高速数字摄像机和一个线性激光器组成,用 于测量单侧轨距。线性激光器安装与钢轨内侧,发射出扇形光带,垂直照射在钢 轨上,在钢轨内侧形成一个钢轨半断面光带。摄像机捕捉钢轨断面光带图像,将 视频图像输出到 VMEbus 计算机上,对图像进行实时处理,通过坐标转换、合成 和滤波等处理,得到钢轨上被测点的轨距信号。惯性基准测量单元测量车辆的横 向和垂向加速度以及滚动和摇头速率,对合成的轨距信号进行修正。这种轨距测 量系统没有任何移动部件,其安装位置可以置于车体的一系减震弹簧上,解决了 安全问题,具有量程大、精度高、抗干扰能力强等特点,提高了系统检测速度、 精度和可靠性。同时,这种方法又可以和钢轨断面测量系统集成在一起,已成为 目前轨距检测系统的主流。

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图 4.3.2.1:摄影测量式轨距测量原理

4.3.2.2 曲率
曲率定义为一定弦长的曲线轨道(如30M)对应之圆心角θ(度/30米)。 度数大,曲率大,半径小。反之,度数小,曲率小,半径大。曲率亦用

1 表示。 R

L 2 = sin θ 1 2 ,其中,L代表弦长。轨检车通过曲线时(直线 圆心角与 R 的关系 R

亦如此),测量车辆每通过30米后车体方向角的变化值,同时测量车体相对两转 向架中心连线转角的变化值,即可计算出轨检车通过30米曲线后的相应圆心角Q 变化值。

4.3.2.3 高低不平顺
高低指钢轨顶面纵向起伏变化。轨道的高低不平顺波形通常含有不同波长 成分,不同波长成分的危害也不同。一般来讲,长波长不平顺直接影响旅客乘车 舒适度,而短波长不平顺对车轮和钢轨产生巨大的冲击荷载,影响机车车辆和轨 道部件的使用寿命。对于高速铁路, 由于其列车运行速度高于普通铁路,需要 检测的短波长和长波长的范围也相应的扩大。高速铁路短波长小于3M,而长波长 可达200m.高低不平顺的检测原理主要有弦测法和惯性基准法。 图3为三点等弦弦测法示意图。以A、B两点的连线为弦,弦长l=AB.高低不 平顺的测量值Y为弦AB的中点高度。当测量弦长l一定时,弦测法对于不同不平顺 波长的测量增益是不同的,因此无法真实放映线路不平顺波形。为减少这种幅值 增益误差,一般可以采用多点弦测法和逆滤波法。

图4.3.2.3a:三点等弦弦测法示意图 测量高低用的传感器分布如图所示。M为车体质量,K、C分别分弹簧和阻尼。 R为车轮半径。位移计LPDT(RPDT)测量车体与轮轴的相对位移W,加速度计A输 出值a的二次积分为车体相对惯性基准的位移Z。 轨道高低不平顺值Y的计算式为Y =Z-W-R。由于加速度计的输出还要受到车体滚动、离心力和重力等影响,因
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此需要增加对车体运动角度的测量来提供修正信号。实际的高低检测系统如图5 所示。YAW为摇头陀螺仪,ROLL为滚动陀螺仪,INCL为倾角仪,LACC和RACC分别 为左右加速度计,LPDT和RPDT分别为左右高低位移计。 惯性基准法的理论传递函数恒为 1,可以检测出实际的轨道不平顺,还可以 根据需要换算为各种弦长下的结果。因此在动态测量中得到了广泛的应用。但在 实际应用中,受到电子线路和传感器性能的限制,惯性基准法可以测量的波长范 围是有限的, 一般在几十米至上百米之间。另外,在低速时,加速度信号比较 微弱,信噪比低,并且要做积分运算,低频信号容易引起积分饱和,因此惯性基 准法不太适合低速测量。值得注意的是,弦测法是通过直接测量位移来检测轨道 不平顺的,故测量精度不受列车速度的影响,惯性基准法的另一个限制因素是陀 螺仪,如何解决陀螺仪温度漂移和时间漂移问题带来的影响,对保证测量精度是 至关重要的。
A M

K

C

W

Z

R

图 4.3.2.3b:惯性基准法测量原理

YAW LACC ROLL INCL RACC

LPDT

RPDT

19

图 4.3.2.3c:惯性基准测量系统 不论弦测法或惯性基准法,都需要实时测量车体到轮轴的位移。传统上,位 移测量使用接触式的位移计。随着广电技术的发展,光电位移计或基于三角形测 量原理的摄像测量技术被广泛地使用,以提高位移检测精度。

4.3.2.4 轨向不平顺
轨向是指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化。不平顺的检测是 为了消除列车的蛇形摇晃,保证行车安全。轨向的测量有弦测法和惯性基准法。 弦测法 小型轨道检测装置采用弦测法对轨向进行检测,弦测法检测轨向不平顺的 基本原理如图所示。

图 4.3.2.4a:弦测法原理图 小型轨检装置的两侧分别有 2 对导向轮①、③和④、⑥;一对测量轮②和⑤。以 首尾两轮的轮轨接触点的连线为弦, 中间轮的轮轨接触点到弦的距离为轨向测量 值。轨向的计算公式如下: 左轨向=(aL+cL)/2-bL 右轨向=(aR+cR)/2-bR (1) (2)

弦测法通过直接测量位移来检测轨道不平顺,故测量值不受列车速度的影 响, 但该方法的重大不足为其测量波形不能正确反映轨道不平顺状态, 误差较大。 要提高利用弦测法对轨向不平顺进行检测时的精度, 其解决方案可采用多点弦测 法来改善。 惯性基准法 轨向不平顺的测量(见示意图)一般与轨距测量相结合,包括 2 个部分, 一部分是惯性位移,通过安装于轨距测量梁中央位置的伺服加速度计(ALGN), 测量轨距测量梁中央位置的横向惯性位移,另一部分是左右轨距分量 SL 和 SR,
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由左右轨距测量装置所测得的。因此,左右轨的轨向测量值分别为:

左轨向:

YLX = Y( X ) +

D + SL 2 D ? SR 2

右轨向: YRX = Y( X ) ?

图 4.3.2.4b:轨向不平顺检测示意图

4.3.2.5 水平(超高)
水平定义为同一轨道断面两轨顶之高差。曲线上的水平称为超高。水平测 量主要依靠惯性基准法,其原理如图8所示。惯性基准单元提供车厢相对于水平 面 的 夹 角 , 由 h1 、 h2 和 L 可 以 计 算 出 夹 角 , 则 轨 道 水 平 或 超 高 的 测 量 值 D=L ,水平D的测量误差主要来源于夹角 的测量误差。目前的高精度光

纤陀螺实际都是速率陀螺,即测量的是角度变化的速率。夹角 是通过积分获得 的。由于陀螺仪不适合作长距离的角度测量。为此,一般需要将陀螺仪和倾角计 配合使用。倾角计依靠加速度计直接测量车体倾斜角度,在借助陀螺仪数据补偿 离心加速度、摇头加速度、横摆加速度和滚动加速度等的影响后,可以得到更高 的角度测量精度。

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图4.3.2.5:水平测量原理

4.3.2.6 三角坑(扭曲)
三角坑是指一定间距的两组水平测量值之差,既检测轨道的平面性,又称 轨道扭曲。扭曲反映了轨顶的平面性。扭曲会使车辆产生三点支持一点悬空,极 易造成脱轨掉道, 特别是当列车从圆曲线向缓和曲线运行时。 如图9, 若轨顶abcd 四点不在一个平面上,c点到abd三点组成平面的垂直距离h为扭曲。
Ⅱ Ⅰ L

h a

c

d b
Ⅰ Ⅱ

图4.3.2.6:三角坑测量原理图 扭曲h计算为: h=(a-b)-(c-d) =Δh1-Δh2 Δh1为轨道断面Ⅰ-Ⅰ的水平值。Δh2为轨道断面Ⅱ-Ⅱ的水平值。 (Δh1Δh2)为基长L时两轨道断面的水平差。由前述知,水平已由水平测量系统测出, 所以只要按规定基长取两断面的水平差即可得扭曲值。

4.3.2.7 加速度检测
加速度检测项目包括车体(垂直、水平)和轴箱加速度等,车体垂直和水
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平振动加速度及轴箱振动加速度测量是发现轨道病害,评价轨道平顺性,监测轮 轨作用的重要手段。对高速铁路,车体垂直及水平振动加速度是评价长波长轨道 不平顺和旅客舒适度的重要指标。 轴箱振动加速度是评价轮轨作用和噪声的重要 指标。 通过振动测量, 改进轨道不平顺管理, 提高乘车舒适性, 减轻轮轨作用力, 增大了列车运行安全性 车体振动加速度采用石英挠性伺服加速度计测量, 轴箱振动加速度采用变电 容式加速度计测量。车体振动加速度先进行模拟滤波,然后进入计算机处理。轴 箱振动加速度传感器信号经滤波后送入绘图仪。 车体及轴箱振动加速度测量信号 流程如图 10 所示。

车体水平及垂 直加速度计 轴箱振动加速 度计

滤波

计算机

滤波

绘图仪

图 4.3.2.7: 测量信号流程图

4.4 限界测量技术(待完成)
限界是指列车沿固定的轨道安全运行时所需要的空间尺寸, 铁路限界是以列 车的轮廓尺寸和列车的有关技术参数,运行动力性能,结合轨道和接触网(或接 触轨)的相关条件,并考虑设备和安全误差,按规定的计算方法进行设计的。一 个和线路中心垂直的极限横断面轮廓。在此轮廓内,除机车车辆和与机车车辆有 相互作用的设备外,其他设备或建筑物均不得侵入。

5 风险评估
1) 、在对铁路隧道进行测量时,如何避免车体振动及光线的干扰。 2) 、测量的断面参数不全,探测范围小,难以满足对各种线路环境测量的要 求。 3) 、线路几何参数的测量设备在运动中会受到 6 个自由度的不确定性影响, 4) 、测量设备安装在独立于车体振动的惯性平台上,从而造成平台体积大、
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造价高

6 建议

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